專利名稱：用激光輻射切除牙齒齲病的方法與器械的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及用激光輻射切除通常稱為齲病的牙斑及腐爛組織的器械及方法。更具體地說，本發明涉及一種器械，該器械使用紫外輻射及冷卻劑從牙體上燒蝕預期的物質而在目標區或其周圍不產生過度的熱量。
正如牙科領域通常所知，用于治療諸如牙斑及腐爛組織等齲病的常規牙鉆器械不夠十分準確，且能引起疼痛。因此，用激光器代替或輔助常規牙鉆以達到更準確和無痛治療齲病是人們所期望的。然而，由于激光產生的熱量，目前使用的激光照射過程常能使目標表面及周圍區域燒焦。燒焦的組織有效地阻擋住激光輻射，并使它不能達到位于該處下面的組織。因此，由過熱導致的燒焦就中斷了燒蝕過程。
過熱也能不可逆地造成牙齒表面的裂縫并損傷牙髓室中的神經系統和其它牙髓結構。由于與激光致熱有關的熱損傷，包含切除齲病在內的硬組織激光治療因而也就尚未到達牙科的實際應用。因此，人們期望提供一種器械和相應的方法，利用激光照射來治療齲病，都不產生足以造成熱損傷的熱量。
在使用牙鉆的常規牙外科中，通常使用水來散熱并去除工作部位的碎片。在激光牙外科中，在用激光脈沖照射目標區之后，為了消除過熱也使用過水。例如瓦西里阿迪斯(Vassiliadis)等人在美國專利No.4,940,411中公開了一種使用摻釹釔鋁石榴石(NdYAG)激光器的激光牙科方法。瓦西里阿迪斯等人講到在每一次激光脈沖之后向牙齒上噴水。然后，在來自激光器的下一個脈沖之前，還要使牙齒干燥。這種講解和有關用紅外激光治療齲病的研究是一致的，該研究強調指出在激光脈沖發射時需要保持牙齒干燥，目的是將水對激光的衰減減至最小程度。在紅外激光治療時，由于激光會被強烈吸收，必須十分接近無水狀態。諸如為空氣噴射器的干燥裝置通常用來在下一個激光脈沖作用之前對牙齒表面進行干燥。
另一方面，沃巴斯特(wolbarsht)等人在美國專利No.5,267,856中公開道在使用摻鉺釔鋁石榴石(ErYAG)紅外激光器時，進入牙齒表面微孔或以化學方式保持在牙齒表面的一薄層水能提高預期物質的去除率。沃巴斯特強調說，在此過程中，不能讓水形成小水潭，因為紅外輻射不能有效地穿透厚的水層。因此，水層的厚度在此過程中必須是能臨界控制的。
使用各種紅外激光器時的一個問題是，在要求治療齲壞組織而不影響牙本質及牙釉質時，它們沒有選擇性。不僅如此，紅外激光不能穿透水，除非是相對短的距離。因此，紅外方法就排除了為達到有效冷卻而使用相對說來較厚的噴水層。所以，人們期望提供一種激光器，它在切除齲壞物質時具有選擇性，并能穿透較厚的水層。采用這種方法時，在牙齒表面可以以非臨界控制方式噴水，因而在牙齒表面可以積水或形成厚的水層，這些都能有效地防止組織燒焦。不僅如此，厚的水層產生較強的冷卻效果，并允許使用能改進燒蝕率的較大激光積分通量。
提供了一種用于治療牙齒上目標區域的器械。本器械總體上包含一個冷卻劑傳送系統和一個紫外激光器。冷卻劑傳送系統向目標區傳送冷卻劑，同時光導向裝置將紫外輻射在目標區上聚焦。激光與冷卻劑相結合以燒蝕預期物質，同時不產生能燒焦表面組織或導致熱損傷的過熱。
圖1是總體原理圖，表示依據本發明的用紫外激光輻射及冷卻劑切除諸如牙斑及腐爛組織等齲病的一種器械。
圖2是圖1所示器械的更詳細的放大原理圖。
圖3是圖1中冷卻劑傳送系統的更詳細的放大原理圖。
圖4是圖1中抽吸系統的更詳細的放大原理圖。
本發明提供了使用紫外激光輻射及冷卻劑切除諸如牙斑、腐爛組織及損害等齲病的器械和方法。使用激光照射比常規的牙鉆能對齲病進行更加準確及無痛的治療。本發明能有效地從硬表面切除齲壞部分并通過防止產生過熱來防止目標區組織的燒焦。由于防止了目標區組織的燒焦，切除過程可以無間斷地進行。同時，由于防止了在目標區及其周圍產生過熱，牙本質或牙釉質開裂的潛力及對牙髓室中神經系統和其他牙髓結構的損傷都大大減小了。此外，在牙齒表面冷卻劑層的厚度也不需要臨界控制。因此，本發明中所用的冷卻劑在激光照射的同時可以在牙齒表面積成潭狀。不僅如此，省去了在以前治療過程中所需要的干燥步驟。
在圖1中，實現本發明的用于切除諸如牙斑及腐爛組織等齲病的器械總的用1表示。齒上具有齲壞物質或腐爛組織12的一個牙齒10從牙床14上伸出。裝備了激光系統15以用作器械1的紫外輻射18的激光源。裝備了總體用20表示的冷卻劑傳送系統，用來向目標區22傳送冷卻劑。所裝備的用24表示的抽吸系統則用來從目標區22收集過剩的冷卻劑及碎片。
參照附圖2，本發明使用紫外激光發生器16以產生波長一般小于600nm(納米)的脈沖式紫外輻射18。可以調整本發明的紫外激光發生器16使它工作在預定的積分通量(fluence)，以便有選擇地燒蝕單一的目標物質；因為健康的牙釉質26、健康的牙本質28及齲壞損害12對燒蝕各有不同的能積分通量閾值，也有不同的(描述紫外輻射18被吸收的特征深度的)吸收系數。使用紫外激光發生器16的優點是允許有選擇地燒鋁齲壞部分12而同時使健康的牙本質28及牙釉質26大體上不受影響。
激光發生器16最好能產生具有每秒0.1到10,000個脈沖的脈沖重復率及每脈沖0.1毫焦耳到5焦耳的激光能量的脈沖輸出光束30。此外，激光發生器16的波長是在已被表明根治齲病12特別有效的193～600nm波段。輸出光束30在目標區22的直徑最好在0.1mm至5mm之間。
下列激光器，雖然不能理解為一種限制，但與本發明結合則是特別有用的波長大約193nm的氟化氬(ArF)激光器、大約249nm的氟化氪(KrF)激光器、大約305nm的氯化氙(XeCl)激光器、大約352nm的氟化氙(XeF)激光器以及波長大約355nm的三倍頻摻釹的釔鋁石榴石(NdYAG)激光器。此外，在常規的控制面板32上設有對激光發生器16產生的輻射18進行脈沖頻率、能量及脈沖寬度的調整的裝置。激活開關34將激光發生器16和電源36耦合起來以激活激光發生器16。
諸如反射鏡、透鏡或棱鏡的常規光學器件38可以有選擇地用來對從激光發生器16到透鏡40的輻射18導向。透鏡40將輻射18導向并聚焦在光導向裝置44的一端42。必須指出，透鏡40可以包含一個以上的單元，并能按所希望的那樣形成任意個構形及焦距。除此以外，如果需要，可以在激光器16和光導向裝置44之間插入一個光學輸出連接器(未示出)。
光導向裝置44可以是光導纖維，也可以是常規的反射鏡透鏡系統，它沿自己的內部將輻射18導引并傳送到出口端46。在優選實施例中使用了光導纖維，因為它有柔性且容易定位，所以容易在人的口腔范圍內操作。當使用光導纖維時，最好使用三倍頻摻釹釔鋁石榴石激光器。
出口端46最好這樣構形，使它能夠將由該處射出的輸出光束30集中或聚焦。或者，為此目的在出口端46裝上一個透鏡。不管哪種情況，對大多數牙科應用，總是希望在出口端46給出相對短的焦距。由出口端46射出的輸出光束30用來燒蝕齲壞物質12。還應指出，可以在光導向裝置44的自由端48安裝一個機頭，以使牙醫的操作變得容易。
在本發明的實施例中，一個工作在可見光譜的低功率激光器100裝入了激光系統15。為此目的使用氦氖激光器或二極管激光器是合適的。由低功率激光器100射出的引導波束102通過光導向裝置44的傳輸，當從出口端46射出時，大體上是與輸出光束30重合的。用這種方法可以借助觀察引導波束102的位置將輸出光束引導到目標區22。在不用低功率激光器100的情況下，操作者可以觀察由輻射18在目標區22引發的可見螢光作為輸出光束30正確定位的指示。
現在看圖3，冷卻劑貯罐50用來存儲冷卻劑，冷卻劑最好是用于牙齒10時冷卻到15℃到30℃溫度范圍的水52。輸送管54在其第一端56通過一個連接裝置58與冷卻劑貯箱50相接。管54可定位成，將從出口端60流出的水52導向目標區2。水52可以是間歇地、最好是連續地射到牙齒10上。為此目的，可以使用在大多數牙科診所都能找到的常規氣/水牙科機頭一類的給水系統。
必須指出，雖然冷卻劑最好是噴射形式的水52，其他的冷卻劑也可應用。同樣，與低波長激光器(象ArF激光器)一起使用時，最好使用蒸餾水或去離子水52，以便將可能吸收激光輻射18的雜質的水平降至最低。然而，隨著激光器16波長的增大，這種對蒸餾水及去離子水52的偏愛將降低。
參照圖4，設有一個吸管62用來從目標區22排除過量的水52及碎片64。吸管62有一個適于收集過量水52并將它傳送到吸管上拉長的本體都68的第一端66。吸管62還包括一個通過連接裝置72與廢物系統74相連接的出口端70。為此目的，最好使用能在大多數牙科診所找到的常規抽吸系統。
在手術過程中，低功率激光器100首先被激活，因而使引導波束102射出光導向裝置44。然后，操縱光導向裝置44的自由端48，使出口端46大體上瞄準具有腐爛組織、牙斑或損害12的預定目標區22。瞄準是否合適則由照射在目標區22上的引導波束102指示。
將引導波束102恰當地定位后，開始運行冷卻劑供給系統20，以便在牙齒10的表面噴射上一層水52。然后運行抽吸系統24以收集過量的水52。接下來，激活激光器16以產生紫外輻射18。輸出光束30大體上與射在目標區22的引導波束102重合。最后，按照意原操縱光導向裝置44使輸出光束30照射目標區22中被選定的部位。
按照本發明，輸出光束30穿過水層52并去除位于水層52下面的預期物質12。在燒蝕過程中用抽吸系統收集水52，或是在需要的時候收集，或是連續收集以防止碎片64和水52的堆集。
由于在紫外頻譜區域水52對輻射18的吸收相對說來較弱，因而在激光治療過程中可以連續噴射水52以至在牙齒10上匯成小潭或形成厚層。必須指出，如果是在激光照射的同時向牙齒10噴水52，則這些水在消除過熱上要有效得多。最好是在燒蝕過程之前就設置好激光的脈沖寬度、能量水平及頻率。但是，如果愿意，這種參數也可在過程中調整。例如，通過增加激光的能量水平，可以達到較快的燒蝕率。已經發現，切除齲壞組織12而不造成周圍區域熱損傷的最優積分通量水平大致是0.07到10J/cm2。不僅如此，最優波長與最優頻率分別在193-400nm和1-20Hz的范圍內。
在下述實例中，使用了ArF激光器，并以來自蒸餾水貯箱的水作為冷卻劑。在拔牙時，使用連續水流覆蓋處理區域的表面。
實例1
使用大約為90mJ/cm2的低積分通量激光器照射一個干燥的拔出的牙齒表面上的齲壞組織，迅速產生了燒焦的組織，且發現在此之后燒蝕率顯著地下降。使用N2清洗流作為冷卻劑又作了若干補充實驗。雖然由于以相對較高的流量使用N2而獲得了某些改善，但N2并未能有效地防止燒焦組織。
實例2重復實例1，但使用蒸餾水作為冷卻劑。水從連接到蒸餾水貯罐的管子的尖端流出。由于水的連續流出，在牙齒表面形成了水潭。使未聚焦的準分子激光射束(波長為193nm的ArF激光器)的孔徑為1mm直徑的大小并使它穿透潭狀的水而達到腐爛的組織。激光重復頻率由10Hz變到20Hz。在這些條件下，當積分通量升到大致230mJ/cm2及照射時間長到大約6分鐘時，未觀察到燒焦的組織。在激光積分通量為200mJ/cm2、工作在頻率20Hz時，測量到的燒蝕(凹陷)率大約是每脈沖0.35微米。當照射時間長到大約6分鐘時，凹陷大約是2.6毫米。
實例3在激光照射過程中，使用熱電偶測量周圍區域及牙髓室的表面溫度。當不使用水冷卻時，在200mJ/cm2的激光積分通量及20Hz的激光重復頻率情況下，周圍區域的溫度在3分鐘內升高了9℃。如果有水流存在，在類似的激光照射下，靠近照射區的溫升小于1℃，而在牙髓室基本上測量不出溫升。
本發明的一個優點是噴水時用不著象紅外激光技術那樣對水層厚度實行臨界控制，因為紫外輻射不會被水強烈吸收。不僅如此，可以使用連續水流，因而緩解了在輻射脈沖之間需要使目標區干燥的問題。另一個優點是，一厚層水能高度有效地防止在目標地、周圍區域及牙髓室的熱損傷，因為防止了產生過熱。水冷卻也緩解了燒焦問題，并允許不間斷地使用較高的激光功率，而較高的激光功率能增加每個脈沖的穿透深度和燒蝕率。此外，在有選擇地切除齲壞物質而不影響健康的牙本質及牙釉組織方面，紫外激光也是高度有效的。
從以上的描述中，本領域的普通技術人員可以意識到，關于本發明的概括的講述是可以用許多不同方式實現的。因此，雖然本發明是通過幾個特例來描述，但本發明的真正范圍決不應局限于此；通過研究附圖，說明書及下述的權利要求書，對普通專業人員而言其他的各種改型是十分明顯的。
權利要求
1.一種用于治療目標區的器械，該器械包括一個波長在193-600mm范圍內的用于在所述目標區燒蝕預期物質的紫外輻射源，及一個用于向所述目標區傳送冷卻劑的冷卻劑傳送系統。
2.根據權利要求1所述的器械，其特征在于，它還包括一個與所述輻射源相連的、用于將所述輻射引導到所述目標區的光學系統。
3.根據權利要求1所述的器械，其特征在于所述冷卻劑包括水。
4.根據權利要求3所述的器械，其特征在于，所述的水是蒸餾水或去離子水。
5.根據權利要求1所述的器械，其特征在于所述冷卻劑傳送系統包括了牙科噴氣/水系統中水的部分。
6.根據權利要求1所述的器械，其特征在于紫外輻射源是一個產生激光束的激光發生器。
7.根據權利要求6所述的器械，其特征在于所述激光束發生器發射三倍頻摻釹釔鋁石榴石激光束。
8.根據權利要求2所述的器械，其特征在于所述光學系統是一根柔軟的光導向裝置。
9.根據權利要求1所述的器械，其特征在于它還包括一個用于從所述目標區除去所述冷卻劑的真空系統。
10.一種用于在目標區照射預期物質的激光治療器械，該器械包括一個液體冷卻劑源；一個與所述液體冷卻劑源相連接的液體冷卻劑可定位傳送系統，用來向所述目標區傳送一層所述液體冷卻劑；一個提供波長在193-400nm范圍內輻射的紫外激光束發生器，用來在所述目標區燒蝕預期物質；以及一個與所述激光器在光學上相通的可定位光導向裝置，用來將所述輻射指向所述目標區。
11.根據權利要求10所述的器械，其特征在于，它還包括一個用于從所述目標區收集和去除所述液體冷卻劑的真空系統。
12.根據權利要求10所述的器械，其特征在于所述液體冷卻劑包括水。
13.根據權利要求12所述的器械，其特征在于所述水是蒸餾水或去離子水。
14.根據權利要求10所述的器械，其特征在于所述液體冷卻劑供給系統包括牙科噴氣/水系統中水的部分。
15.根據權利要求10所述的器械，其特征在于所述紫外激光束發生器產生具有波長在300-400nm范圍內的三倍頻摻釹釔鋁石榴石激光。
16.根據權利要求10所述的器械，其特征在于所述可定位光導向裝置包括一根光導纖維，它具有一個適宜將所述輻射聚焦到預期直徑的出口。
17.一種用于在牙齒目標區燒蝕預期物質的紫外激光外科器械，該器械包括一個水源；一個與所述水源連接的柔性輸水管，用于從一個出口端向所述目標區有選擇地噴射所述水；一個用于產生波長在350-360nm范圍內紫外輻射的三倍頻摻釹釔鋁石榴石激光發生器；一個光學上與所述激光發生器相通的光導纖維，用于將所述輻射引導到目標區，所述光導纖維具有一個適于將所述輻射在給定焦距上聚焦到預期直徑的出口端。
18.根據權利要求17所述的器械，其特征在于它還包括一個與所述光導纖維在光學上相通的低功率激光發生器。
19.根據權利要求17所述的器械，其特征在于所述波長大約等于355nm。
20.根據權利要求17所述的器械，其特征在于，它還包括一個用于從目標區收集并排除所述水的真空系統。
21.一種治療目標區的方法，該方法包括將冷卻劑傳送到所述目標區；及用波長在193-600nm的紫外輻射照射所述的目標區和所述的冷卻劑。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于所述輻射的積分通量水平是在0.07-10J/cm2的范圍。
全文摘要
提供了一種用于治療牙齒(10)上目標區(22)的器械(1),該器械(1)總體上包括一個冷卻劑傳送系統(20)及一個紫外激光器系統(15)。冷卻劑傳送系統(20)將冷卻劑(52)輸送到目標區(22),同時一根光導向裝置(44)將紫外輻射在目標區上聚焦。紫外輻射(18)與冷卻劑(52)結合起來燒蝕預期的物質而不產生過熱,否則,過熱可以燒焦表面組織或導致熱損傷。
文檔編號A61C3/02GK1182573SQ9711466
公開日1998年5月27日 申請日期1997年7月10日 優先權日1996年7月10日
發明者周茂松 申請人:Trw公司